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大直径平底负压容器优化设计

2018-08-24 14:20阅读：

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大直径平底负压容器优化设计
荆志敏
（湖南化工医药设计院，湖南长沙 410021）
摘要：通过对大直径平底负压容器平底板的设计计算，提出了对平底板采取加强措施，从而减薄平底板计算厚度的方法。该容器在实际生产过程中性能可靠、稳定，对类似设备设计具有借鉴意义。
关键词：负压容器；大直径；平底板；设计

工业上常使溶液在真空下蒸发以降低溶液的沸点[1]。在贵州某复合肥项目中，闪蒸室采用的就是真空蒸发技术。85原料料浆通过进料口进入设备，在负压的闪蒸室中，形成的饱和水蒸汽通过闪蒸室顶部分离出去，从而达到浓缩原料料浆的目的。
  1. 闪蒸室主要设计数据及分析
闪蒸室的筒体为变径带锥壳结构，尺寸为DN5800/DN6600×11617mm，壳体材质：Q245R，平底板材质：Q345R。主要设计数据见表1，设备结构如图1所示。
表1 蒸发室设计数
据
项目
 工作参数
 设计参数
压力/MPa
 -0.067
 -0.1
温度/
 85
 85

大直径平底负压容器优化设计
图1 闪蒸室结构
为了方便原料料浆进入闪蒸室后，能顺利流出设备内部，因此闪蒸室下部采用了平板倾斜结构。
工作状况下，平底板受力分析为：-0.067MPa负压，平底板自重力，物料质量产生的压应力。按保守考虑，平底板计算应力取设计压力-0.1MPa。
由GB150.1~150.4-2011[2]式5-33可得平底板计算厚度为77.05mm，K取值0.3，平底板进行了100%射线检测，φ取值1.0。分析计算结果可以得出，5800mm直径，名义厚度78mm的平底板加工难度将会非常大、底板平面度难以保证、如此之重的底板安装施工难度也将很大。
在工作压力、设备直径、选用底板型式不变的情况下，只有采用优化设计，采用加强平底板得以减薄平底板厚度的方法，方能得到更为合理的设计结构。
2. 底板加强模型
平底板加强筋如图2所示。
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图2 平底板剖视图
2.1 平底板刚度
因为平底板与加强工字钢焊接在一起的，可以计算平底板加强工字钢刚度，将其控制在安全范围，即平底板也安全。
穿过中心线处工字梁最长，在相同压力下，为挠度最大的一根工字梁。设计中选择该工字梁计算。由以上数据得知，设计压力为-0.1MPa，作用力方向竖直向上；物料重力、平底板重力，作用力方向竖直向下。为简化计算，仅考虑设计压力-0.1MPa，且这样考虑是偏保守的。


2.1.1 工字梁强度
工字梁受力简图见图3，
大直径平底负压容器优化设计
图3 工字梁受力图
工字梁剖面图见图4。


大直径平底负压容器优化设计
图4 工字梁剖面图
工字梁受力计算如下：
主梁受力为：
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主梁最大弯矩：
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将F=2.9x10e5N,l=5.8m带入（1）式，得Mmax=7000Nm
工字梁材质选Q235A，查NB/T47003.1-2009《钢制焊接常压容器》[4]中P14页。得85时，Q235A需用应力[σ]85=126MPa。
因此，工字梁最小抗弯截面模数：
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查《机械设计手册》[3]中P551页，得30a#工字钢抗弯截面模数为：
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，即选用30a#工字钢满足计算强度要求。
2.1.2 工字梁刚度
如图3所示，均布载荷：
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主梁最大挠度：
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式中q=5100kg/m, l=5.8m ，Q235A工字梁弹性模量：E=197000MPa，查《机械设计手册》[3]中P551页，得30a#工字钢截面轴惯性矩为：J=11075.5cm4。将数据带入（2）式，得，


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全。

由以上计算得知，工字梁的强度与挠度均在安全范围之内。由于底板是由工字梁支撑的，因此，底板刚度是安全的。
2.2 平底板强度
平底板支撑工字梁布置简图见图5。


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图5 平底板支撑梁布置简图
从图5可以看出，平底板被支撑工字梁分割成若干个受支撑区域，并且从平底板刚度计算中得知工字梁有足够的支撑强度。
将被工字梁所分割的小区域单独建模成图6所示计算模型，即矩形容器计算模型。矩形容器按0.1MPa内压考虑。
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图6 平底板计算模型
运用化工设备设计计算软件SW6-2011[5]矩形容器进行计算，输入相应参数，计算结果见表2矩形容器计算。
表2 矩形容器计算
输入参数
 设计压力（MPa）
 0.1
设计温度（）
 85
材料名称
 Q345R
计算结果
 短边板计算厚度（mm）
 21
长边板计算厚度（mm）
 17
壳体组合许用应力（MPa）
 244.5
壳体最大组合应力（MPa）
 209.35
由表2可以看出长边板计算厚度为17.0mm，建模中将平底板等效为长边板的模型。因此，平底板计算厚度可以等效为17.0mm。考虑到腐蚀裕度1mm及其它综合因素，最终将平底板名义厚度确定为22mm，且这样考虑是偏安全的。
2.3 平底板设计
在本工程中蒸发室底板设计最终形式是，平底板选用Q345R热轧板，名义厚度为22mm；采用30a#工字钢支撑梁按图5所示进行加强。


3. 结束语
（1）大直径平底负压容器的平底板不采用加强方式设计，需要的平底板壁厚通常会很厚。由此会给焊接及安装施工带来很大的难度，焊接及安装施工质量也难以保证。
（2）在能满足化工工艺及制造工艺条件下，采用优化结构设计不但能降低施工难度，而且也会节约施工方面的成本，设备结构也会更加紧凑合理。
（3）目前该项目已顺利投产，经过实际检验，本设备运行正常和可靠，性能稳定。对在其它项目中类似设备设计具有借鉴意义。


参考文献
[1] 谭天恩，麦本熙，丁惠华.化工原理[M].北京：化学工业出版社，2006，294.
[2] GB150.1~150.4-2011，压力容器[S].
[3] 机械设计手册联合编写编组.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1987.
[4] NB/T47003.1-2009，钢制焊接常压容器[S].
[5] 全国化工设备设计中心站，SW6-2011.

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